Project CHIP试图解决物联网设备和网络碎片化问题

Project CHIP计划的成员

去年12月,Zigbee联盟发起了“Project Connected Home over IP(基于IP的家庭互联项目)”(CHIP),其宏伟目标是实现即插即用型消费物联网设备。 由亚马逊,苹果和谷歌领导的Project CHIP计划于今年晚些时候发布规格和开源代码。现在,最初的媒体和分析师的报道已经尘埃落定,CHIP项目就值得我们仔细研究,因为大型、知名的公司只有真正相信自己能够实现目标,才能够围绕这样一个大胆的目标团结起来。

Project CHIP试图解决什么问题可以解决吗

消费者希望小型的联网设备能够像USB一样工作——他们希望能够购买任何产品,插上电源就能正常工作。今天,我们离满足即插即用的期望还有很长的路要走。购买像门锁、灯泡、开关、窗帘、温度计、磅秤或安全传感器这样的联网设备是相当复杂的。你必须考虑与你的家庭设备网络(Z-Wave, Zigbee, Insteon)、虚拟助手(Alexa, Siri,谷歌助手)和其他已经安装的设备的兼容性。虽然其他行业的碎片整理尝试都失败了,但我相信Project CHIP很可能会成功,原因有三。

首先,每个参与的公司都同意改变其连接策略,这样物联网设备就可以对任何应用程序即插即用,包括竞争对手的应用程序。例如,设备应该能够与Alexa、Siri或谷歌助手一起工作。通过宣布向开放设备生态系统的战略转型,亚马逊、苹果和谷歌都表示了对这个项目的坚定承诺。

第二个事实是该组织并非从头开始。参与的公司已经拥有成熟的设备协议,例如Alexa Smart Home,Apple HomeKit和Google Weave。CHIP项目非常适合在现有解决方案的基础上进行增补,并可能实现向后兼容。

第三,也是最重要的是,CHIP项目基于现有标准。Project CHIP不会创建另一个设备网络标准(我们已经有太多这样的标准),它将成为在任何带有IP的网络上使用行业标准Internet协议(IP)进行设备通信的通用语言。换句话说,他们正在将Internet置于物联网中。

为了理解为什么这样做是正确的,让我们回顾一下连接的设备是如何演变成不可互操作的设备生态系统的。

小型设备有独特的要求

如果你认为物联网已经建立在互联网协议的基础上,那么你部分是对的。主流的基于IP的网络,如以太网、Wi-Fi和蜂窝网络,是连接云、服务器、PC、移动设备、集线器和许多类型的物联网设备(如智能扬声器、安全摄像头、恒温器和工业设备)的神经纤维。这些设备具有足够的处理能力,可以使用标准的Internet协议在主流网络上进行通信。

从历史上看,基于IP的协议并没有延伸到日常生活中,比如开关、灯、门锁、温度计、窗帘和小型传感器。这些小的、低功率的、受限的小工具具有五个独特特征的各种组合,从而无法使用主流网络和协议:

1)低成本 – 功能有限的设备价格有限

2)低功耗 – 电池可使用数年

3)体积小 – 与现实世界完美融合

4)专用无线 – 低功耗;网状结构可扩大覆盖范围

5)无用户界面设置 – 无键盘,无显示器,简单的用户体验

因此,有两种不同的物联网设备类别 – 大型和小型。大型设备总是使用IP网络和协议,而小型“受限”设备则不得不采用截然不同的演进路径。

设备网络碎片

20年前,当联网嵌入式设备首次出现时,IP网络和应用协议对于小型受限的物联网设备来说过于耗电、范围有限、冗长和复杂。为了填补这一空白,“全栈”设备网络,如Z-Wave、Zigbee、蓝牙、Insteon等,通过将低功率无线电与专门的、高效的(非IP)应用协议相结合而诞生。

由于没有一个主导的标准,设备制造商陷入了不兼容网络的孤岛,每个网络都有自己独特的应用协议。这种分散导致无法互操作的产品具有不一致的用户体验,并在混乱而效率低下的市场中销售。从来没有“达尔文式”的融合发生,因此我们今天仍然处在这种情况下。设备网络和协议碎片化是阻碍物联网行业增长的主要因素。

受限的Internet协议:已有37年历史的解决方案,现在在“小型(small)”中可用

让我们回过头来,对比一下物联网的碎片化世界和我们更熟悉的PC、手机和平板电脑世界。我们的数字生活依靠WiFi、蜂窝网络和以太网,我们通常并不在乎我们使用的是哪一种网络。当我们离开WiFi网络时,我们的手机会自动切换到4G/5G,我们的应用会继续工作,就像什么都没发生过一样。我们认为这种无缝过渡是理所当然的,因为主流网络使用的Internet协议从一开始就为互操作性而设计。

这些协议的核心是具有37年历史的分层模型,该模型可以分层组织网络协议(ARPAnet于1983年开始使用TCP/IP)。每一层都提取其下所有复杂事物的细节,并提供与其上一层的一致接口。堆栈顶部的应用程序大部分不了解底层的情况,因此无论连接方式如何(有线或无线,快速或慢速,WAN或LAN),它们都以相同的方式进行通信。工业标准的Internet协议套件及其熟悉的缩写(IPv4,IPv6,TCP,UDP,DHCP,HTTP等)在此分层模型上得到了发展。因此,应用程序和设备可以通过任何网络连接即插即用。

尽管受约束的IoT设备无法始终按原样使用标准IP协议套件,但令人欣慰的是,在过去的15年中,缩小版本已经标准化,并且现已可以使用。这些新标准为已建立的Internet协议提供了有效的替代方法:

1)6LoWPAN – 紧凑,高效的IPv6寻址方式

2)UDP/DTLS – 具有类似TLS的安全性的TCP传输的低开销替代方案

3)CoAPMQTT-SN – HTPP,MQTT应用协议的低功耗替代品

6LoWPAN(IPv6低功耗无线个人局域网)是在小型设备网络上运行Internet协议的关键。上面列出的其他受约束的协议是用于提高IP设备通信效率的可选方法。例如,6LoWPAN设备网络可能会使用基于UDP的CoAP来最小化网络流量,或者可能会以降低的效率使用基于TCP的HTTP。这一点很重要,因为现有的基于TCP / IP的应用程序可以通过最少的修改就可以在Wi-Fi和受约束的网络上工作。

如果用于设备网络的IP协议已经使用了多年,为什么还没有被普遍采用呢?主要原因是,没有一家公司可以独自领导所有业务。如果他们只想控制某些小型设备(例如电灯或插头),则现有的全栈非IP网络(例如Zigbee和Z-Wave)就可以很好地完成工作。显然,CHIP项目中的大公司正在着眼于更大的前景 – 设备行业的碎片整理。这就需要用运行在承载IP的网络上的基于IP的标准应用协议来替换全栈设备网络。网络现在已经准备就绪,Project CHIP正在创建缺少的部分 – 一种用于小型设备的行业标准IP应用协议。

受限的IP网络

受限的IP无线网络已经可用。不需要新硬件,因为它们使用了已经部署了多年的全栈解决方案的无线电技术。例如,Thread是基于安全IP的网状网络,建立在Zigbee使用的相同的行业标准802.15.4-2006无线电上。Thread可以支持任何IP应用程序层,因此非常适合Project CHIP。根据Project CHIP网站,最初的网络目标是通过802.11ax进行的Wi-Fi,2.4 GHz上的802.15.4-2006上的Thread和未指定的“低功耗蓝牙的IP实现”。芯片,模块和软件堆栈可随时用于Wi-Fi和Thread,因此没有部署障碍。

应用协议:CHIP项目的作用

诸如Alexa Smart Home,Apple HomeKit和Google Weave之类的应用协议执行相同的功能,但执行方式不同。Project CHIP旨在简化与所有应用程序兼容的设备的构建,但是标准化工作的范围尚不清楚。他们的网站说,它“可能包括一个生命周期事件的提议标准,比如配置/加载、删除、错误恢复和软件更新。” 标准化这些设备管理功能在实现即插即用方面有很长的路要走,但我认为可以肯定的是,它们也会处理操作协议。Alexa Smart Home、HomeKit和Weave使用不同的命令(比如,打开灯)是没有意义的。我们不知道Project CHIP将在基本生命周期功能之外走多远,但是我们将继续观察。

2022年的物联网

我们为什么要关心这些呢?如果CHIP项目成功了,以下是我对未来几年内物联网世界的乐观看法:

1)设备制造商可以直接构建可与多个网络和应用程序即插即用的单一SKU IoT产品。

2)消费者根据功能和质量选择设备,而不必担心网络和应用程序的兼容性。

3)消费者可以在所有设备上使用Siri,Alexa,Google助手或其他兼容应用程序。

4)不再需要特殊的设备集线器和网关。

5)地产商安装可与业主指定的应用程序配合使用的面向未来的家庭自动化。

6)物联网设备的成本下降,因为制造商以大批量生产更少的SKU。

其结果是一个简单、高效、去碎片化的市场,物联网设备只需像USB外设一样即插即用。这一愿景促使主要物联网参与者在向互联网协议和项目芯片的过渡上下大赌注。

Project CHIP专注于消费市场,但是商业和工业物联网应用又如何呢?许多支持Project CHIP的智能家居设备(例如照明,HVAC,门锁,百叶窗等)应该可以立即找到商业应用。通过扩展Project CHIP基于IP的应用协议,也很容易支持其他工业设备。

总结

最初我对Project CHIP持怀疑态度。其他一些精心策划的标准化工作试图通过建立“一个统一所有规则的框架”来统一应用程序层,但收效甚微。这些努力中的一些失败了,其他的进展缓慢,所有这些努力都花了很长时间才取得成果。Project CHIP与众不同,因为它由大公司支持,它基于成熟的Internet设计原则,并且基于已经部署的协议而不是空白的白板开始。通过与CHIP项目合作,一些业内最知名的公司表示他们打算根据功能,质量,价值和服务来区分其产品,而不是建立封闭的设备生态系统。

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